当前课程知识点：现代生物学导论 > 第八讲 重组DNA > 8.6 生物的信息时代 > 8.6 生物的信息时代
20世纪生物学的发展可以被看成是一门信息科学的发展
生物学中使用信息并不是一个新的概念
早在孟德尔时就提出了遗传信息的传递规律
在20世纪的第一个25年，科学家们发现遗传信息在染色体上
在20世纪的第二个25年，科学家们得知DNA就是这种重要的遗传信息
并进一步解释了其结构和复制的特点
在20世纪第三个25年，科学家们通过发现了遗传密码和中心法则
得知我们的细胞是如何读取遗传信息的
在20世纪的最后一个25年
科学家们获得了人类等多细胞生物的全套遗传信息
作为20世纪的完美收官
随着对大量遗传信息的需求，诞生了一门新的学科：就是生物信息学
生物信息学利用数学、信息学、统计学
和计算机科学的方法研究生物学的问题
生物信息学的研究材料和结果就是各种各样的生物学数据
其研究工具是计算机，研究方法包括对生物学数据的搜索
处理和利用
目前主要的研究方向有：序列对比、基因识别、基因重组
蛋白质结构预测、基因表达、蛋白质反应的预测
我们在这里介绍三种生物信息学的应用
序列分析、基因表达分析和药物研发的应用
首先是序列分析。越来越多生物体的DNA被人类测定
这就是坐落在深圳的华大基因，也是目前全球最大的测序基地
目前为止，在全球有很多大型的测序基地
那么这些测序基地的存在也证明了生物学上对序列分析的需求
通过对这些序列的分析
科学家们希望能够知道其中对应蛋白质编码的基因和基因调控序列
而且，不同物种间的基因对比
既能够解释和预测他们蛋白质的功能的相似性
又能够揭示不同物种间的联系
由于数据量巨大，使得人们不得不采用计算机
来分析生物体的数十亿个核苷酸组成的DNA序列
由于DNA序列中普遍存在突变现象
这些计算机程序需要识别大量相关但是不完全相同的序列
在人类基因组计划中，科学家们通过分析序列
发现了拷贝数变异(copy number variation)这一现象
拷贝数变异指染色体上特定的DNA序列出现拷贝数增加或减少
这是染色体部分区域发生复制或缺失造成的
举例来说，染色体上一段正常的顺序为：A-B-C-D
通过变异可能会变成A-B-C-C-D，或者是A-B-D
拷贝数变异已经被发现和一些人类疾病紧密相关
在癌细胞中，比如表皮生长因子受体EGFR
的拷贝数在肺癌细胞中明显多于正常细胞
还有编码一种趋化性细胞因子的基因
拷贝数的增加可以使人不容易被HIV病毒所感染
而且，拷贝数变异还和自闭症、精神分裂症等疾病相关
应用于基因表达分析的技术有多种，我们在这里讨论DNA芯片
DNA芯片是一块带有DNA的特殊的玻璃片
上面分布着很多位点，每个位点有一段单链的序列已知的DNA
我们放大其中一部分
比如这六个位点中的单链DNA序列代表了6个不同的基因
这些基因的表达和细胞类型以及环境信号紧密联系
为了研究基因表达，我们分别把3种不同细胞中的mRNA提取出来
然后通过反转录酶把mRNA反转录成互补DNA，即cDNA
在这一过程中，我们加入带有荧光标记的核苷酸
这一合成出来的cDNA就被荧光标记了
然后，我们分别让三种cDNA和DNA芯片上的单链DNA进行杂交
如果第一种cDNA序列和代表A基因的序列互补，则会和其杂交
那么同样第二种cDNA如果和代表B基因的序列互补，他们也会进行杂交
杂交后，未互补结合的cDNA将会被洗脱
然后，有荧光标记的cDNA就会被检测出来
在实际的DNA芯片分析中，一个细胞会表达成百上千的mRNA
所以成百上千个位点会被同时进行检测
因此，DNA芯片是大规模同步检测多个基因表达的有力工具
生物信息学可用于药物标靶基因的发现和验证
科学家们建立许多数据库
用来获得不同组织在正常和疾病状态下基因表达的差异
通过搜索这些数据库，可以得到候选基因作为药物标靶
特异性地针对某一种疾病
另外，还可根据蛋白质-蛋白质以及蛋白质-配体间的相互作用
来对药物疗效进行鉴定，这可以通过蛋白质芯片技术来实现
这种技术可以检测蛋白质和其他分子相互作用的情况
特别是蛋白质和药物之前的相互作用
旧的制药思路是一种药物针对所有的人群
但很多时候不同人群对于同一种药品的反应是不同的
比如一种抗癌药物，可能对一部分人有疗效
但同时药品的毒性对患者的损伤也不小
这种同样的药
可能对另一部分人有疗效，而且药品毒性也不是很大
也可能对另一部分人疗效不好，但是也没有什么太大的损伤
最糟糕的就是对有的人没有疗效
但是由于药品毒性，对病人的损伤也是非常大的
通过蛋白质芯片技术，我们可以先把不同患者的同一种蛋白固定在芯片上
然后加入药物，测试药物和蛋白质之间的相互作用
这样，我们就可以知道同一种药物对于哪个患者疗效最好
-1.1 生物学的基本主题
-1.2 科学方法
--1.2 科学方法
-1.3 如何正确地评价科学结果
-1.4 施一公老师和不同院系本科生座谈（上）
-1.5 施一公老师和不同院系本科生座谈（下）
-课前小短片
--课前短片
-2.1 元素和化学键
-2.2 水和生命
--2.2 水和生命
-2.3 碳和生命的分子多样性
-2.4 大生物分子
-2.5 营养以及身体健康
-第二讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-3.1 细胞的结构和功能
-3.2 细胞膜和跨膜运输
-3.3 细胞间交流
-3.4 细胞分裂和细胞周期
-3.5 癌症与细胞分裂
-第三讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-4.1 热动力学和代谢
-4.2 自由能和代谢
-4.3 ATP的工作原理
-4.4 活化能和酶
-4.5 酶的反应特性和酶的调控
-4.6 细胞呼吸
--4.6 细胞呼吸
-4.7 光合作用
--4.7 光合作用
-第四讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-5.1 减数分裂和生命周期
-5.2 孟德尔遗传学
-5.3 孟德尔遗传学的延伸
-5.4 基因连锁和染色体互换
-5.5 伴性遗传
--5.5 伴性遗传
-5.6 非孟德尔遗传
-5.7 人类遗传学疾病及诊断
-第五讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-6.1 DNA是遗传物质
-6.2 DNA结构和染色体结构
-6.3 DNA的复制
-6.4 DNA的突变、损伤和修复
-6.5 DNA重组
-第六讲 遗传的分子基础--第六讲小测验
-课前小短片
--课前小短片
-7.1 基因表达综述
-7.2 基因表达的具体步骤
-7.3 突变和表型
-7.4 基因表达调控的特点
-7.5 原核生物的基因表达调控
-7.6 真核生物的基因表达调控
-7.7 表观遗传
--7.7 表观遗传
-第七节小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-8.1 重组DNA
-8.2 电泳技术、PCR和DNA测序
-8.3 转基因动物、克隆动物和干细胞研究
-8.4 转基因植物
-8.5 DNA技术的应用
-8.6 生物的信息时代
-8.7 新药研发的基本过程
-第八章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-9.1 演化理论的介绍
-9.2 演化的证据
-9.3 Hardy-Weinberg定律
-9.4 改变种群中等位基因频率的机制
-9.5 自然选择
--9.5 自然选择
-9.6 物种的形成
-9.7 地球上生命的历史
-第九章小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-10.1 动物的结构与功能
-10.2 反馈调节
-10.3 植物的结构和生长
-10.4 植物的营养和运输
-第十讲小测验--作业
-课前小短片
--课前小短片
-11.1 病原体
--11.1 病原体
-11.2 免疫系统介绍
-11.3 先天性免疫
-11.4 适应性免疫中的受体识别
-11.5 体液免疫和细胞免疫
-11.6 免疫系统疾病
-11.7 免疫知识的应用
-第十一讲 免疫系统--第十一讲小测验
-12.1 神经元的结构和功能
-12.2 静息电位和动作电位
-12.3 突触传导和神经递质
-12.4 神经系统的组成
-12.5 脑的结构和功能
-12.6 神经系统疾病
-第十二章小测验--作业
-13.1 激素的介绍
-13.2 内分泌系统
-13.3 动物的生殖---配子的形成
-13.4 动物的生殖---激素调节动物生殖
-13.5 动物的生殖---胚胎在子宫中的发育
-13.6 动物发育(1)
-13.7 动物发育(2)
-13.8 动物发育(3)
-第十三讲小测验--作业
-14.1 生态学的基本内容
-14.2 种群生态学
-14.3 种群间的相互作用
-14.4 生态系统
-14.5 生态系统中的物质循环
-14.6 生物多样性和物种
